[论文解读] Muon $g-2$ at multi-TeV muon collider

Wen Yin, Masahiro Yamaguchi|arXiv (Cornell University)|Dec 7, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 27

一句话总结

本文提出了一种在多TeV量级μ子对撞机上通过探测μμ̄ → hγ过程，利用维度六有效算符对μ子g-2异常进行模型无关检验的方法。由于该算符的结构，截面在高能下被增强，从而可直接测量g-2贡献，而无需依赖QCD非微扰效应。该方法提供了一种背景抑制强的稳健信号，中心系能量为20 TeV时截面约为0.1 ab，可在约10 ab⁻¹的亮度下进行检验。

ABSTRACT

The long-standing discrepancy of muon $g-2$ is a hint of new physics beyond the standard model of particle physics. In this letter we show that heavy new physics contribution can be fully tested at a muon collider with center-of-mass energy up to $O(10)\,$TeV. Even if there is no new particle in this energy range, one can measure the $g-2$ directly via the channel to a Higgs boson and a monochromatic photon.

研究动机与目标

• 提供对标准模型之外长期存在的μ子g-2异常的模型无关检验。
• 克服现有g-2测定中QCD非微扰效应带来的限制。
• 提出一种基于高能对撞机的方法，以探测导致g-2异常的重新物理或高维算符。
• 证明即使新粒子超出探测范围，g-2异常仍可通过μμ̄ → hγ过程直接测量。

提出的方法

• 利用中心系能量达O(10) TeV的μ子对撞机，通过高能μμ̄碰撞探测g-2异常。
• 聚焦于维度六有效算符ℒ_eff ⊃ (eΔα_μ)/(4m_μ) μ̄ σ^{μν} F_{μν} μ，该算符可产生g-2异常。
• 计算通过有效算符实现μμ̄ → hγ的树幅截面，显示其随能量呈σ ∼ y_μ² E_cm² / M⁴ 的依赖关系。
• 证明在高能下，μμ̄ → hγ过程的SM背景可忽略不计，20 TeV时σ^SM ∼ 0.002 ab。
• 提出两种互补策略：(1) 在圈图中直接产生并衰变重新粒子；(2) 若无共振态可探测，则直接测量hγ末态。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可在高能对撞机上独立于QCD非微扰效应检验μ子g-2异常？
• RQ2 当无新粒子产生时，是否仍可通过μμ̄ → hγ过程探测g-2异常？
• RQ3 在多TeV量级μ子对撞机上，由于维度六算符导致的μμ̄ → hγ过程的预期截面是多少？
• RQ4 在有效场论框架下，g-2异常信号如何随中心系能量变化？

主要发现

• 在E_cm = 20 TeV时，通过g-2有效算符的μμ̄ → hγ截面估计约为0.1 ab，对应M ∼ 7.6 TeV且Δα_μ = 2.7 × 10⁻⁹。
• 截面随能量呈σ ∼ 0.1 ab × (E_cm / 20 TeV)² × (7.6 TeV / M)⁴ 依赖，使得在O(10) TeV对撞机上可被测量。
• 由于圈图抑制，高能下μμ̄ → hγ的SM背景可忽略不计，20 TeV时σ^SM ∼ 0.002 ab。
• 即使无新粒子产生，g-2异常仍可通过hγ末态直接检验，提供一种稳健且模型无关的信号。
• 该方法避免了对QCD非微扰效应的依赖，为g-2异常提供了一条清晰的探测路径。